LED設(shè)計--汽車熱管理的一大挑戰(zhàn)

如今，越來越多的電子設(shè)備正被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。有估計顯示，如今電子設(shè)備在一輛車的成本中占到了30%-40%。這些電子設(shè)備不僅包括發(fā)動機控制單元、制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)控制裝置等功能性裝置，還有更多消費電子產(chǎn)品，如娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)。最近汽車領(lǐng)域?qū)ED技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長。例如在歐洲，所有汽車都必須安裝LED行車燈。

在設(shè)計包含LED系統(tǒng)在內(nèi)的這些電子產(chǎn)品時，好的熱管理變得越來越重要。LED會不斷散發(fā)出熱量，而燈罩卻變得越來越小。亮度（和功耗）在不斷提升，但被緊密排列在一起的 LED（汽車前后燈）卻沒有配備相應(yīng)的散熱風(fēng)扇。因此，可靠性和性能勢必會受到影響。如果LED超過臨界結(jié)溫，就會出現(xiàn)兩個問題：LED燈變暗；如果溫度持續(xù)過高，LED燈的使用壽命就會縮短，繼而過早報廢。汽車上的LED燈的平均壽命有好幾千個小時，過早報廢將給制造商帶來額外的保修成本。優(yōu)秀的熱管理取決于良好的散熱設(shè)計。如圖1所示，LED元件是設(shè)計過程中的第一個環(huán)節(jié)。元件設(shè)計師會利用熱分析軟件和測試儀器對元件的材料和結(jié)構(gòu)進行分析，確保結(jié)上產(chǎn)生的熱量可以很容易地通過LED元件層散發(fā)出來。子系統(tǒng)設(shè)計師會將LED元件排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后再次對產(chǎn)品進行分析。他們可能會調(diào)整LED元件之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED燈不會超過臨界溫度。最后一步通常是由機械設(shè)計工程師利用機械計算機輔助設(shè)計(MCAD)系統(tǒng)來完成，設(shè)計師會將排列起來的LED燈放進燈罩（如汽車前燈）里，同時利用先進的計算流體力學(xué)(CFD)軟件進行熱分析。

圖1：對LED設(shè)計過程中各個環(huán)節(jié)進行熱分析是好的熱管理的必要步驟

需要注意的是，解決了元件的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的熱管理問題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問題，也不代表系統(tǒng)的熱管理問題就解決了。只有把所有這些問題（見圖1）都解決了，才可以說這是一個好的設(shè)計。

設(shè)計的空白

那么問題出在哪里呢。整個行業(yè)多年來一直在使用出色的CFD熱分析軟件。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，十分好用，且無需外聘專家，公司內(nèi)部的工程師便能完成分析。但問題是，軟件分析結(jié)果的準確性，取決于所輸入的元器件模型的準確性。如果輸入的元器件模型不準確，則無論分析過程多么完美，軟件的結(jié)果也只會誤導(dǎo)設(shè)計者。

但關(guān)鍵是供應(yīng)商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會出現(xiàn)其總功耗（如最大正向電流和電壓）以及結(jié)和某些參考點（如焊接點）之間的單個熱阻。并沒有熱量如何通過封裝內(nèi)各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和熱容的熱路徑/障礙描述。這樣一來會出現(xiàn)什么問題呢？通常熱管理專家會估測封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個熱模型來描述各層和各結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容情況。這種模型只要出現(xiàn)幾個百分點的偏差，就會導(dǎo)致分析不精確。而且并沒有驗證或判斷此類熱模型好壞的方法。

因此從根本上說，我們在設(shè)計好的散熱系統(tǒng)方面還存在空白。在產(chǎn)品開發(fā)的所有環(huán)節(jié)（元件、子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)）中，熱分析絕對不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，才可能獲得好的熱分析結(jié)果。在不了解封裝元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，我們無法界定或驗證模型的精確性，并且通常元件供應(yīng)商也不會泄露這方面的知識產(chǎn)權(quán)。

填補空白

解決的方法就是，通過定義和驗證一種如圖2所示的元件簡化熱模型，在硬件測試/測量和熱分析之間建立一座橋梁?，F(xiàn)有的硬件能夠測量一個元件的散熱特征參數(shù)。有了尖端的軟件，這些測量值就能夠被轉(zhuǎn)化為簡化的熱阻和熱容網(wǎng)絡(luò)，我們在熱分析軟件即可讀取該簡化網(wǎng)絡(luò)模型。

例如，明導(dǎo)公司的T3Ster硬件聯(lián)接到被測元件上就能測量結(jié)的瞬態(tài)溫度變化，不論是元件的加熱過程或冷卻過程，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結(jié)散發(fā)到周邊環(huán)境的過程中，能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬多個數(shù)據(jù)點來描述結(jié)溫的瞬態(tài)變化，而結(jié)溫的瞬態(tài)變化特征就表示了元器件各層的熱阻和熱容情況。有了這些數(shù)據(jù)，利用分析軟件能夠自動生成LED簡化熱模型。一個精確有效的模型就這樣誕生了。

圖2-硬件測試和測量可用于創(chuàng)建或驗證 LED 簡化熱模式

這樣一來，我們就有效地填補了熱管理設(shè)計過程中的空白，能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型。電子行業(yè)內(nèi)有很多人都在使用這種技術(shù)。

LED供應(yīng)商在設(shè)計時能夠利用這種技術(shù)來測量熱性能，并對其進行優(yōu)化，之后再為客戶測量和創(chuàng)建一個熱模型。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來驗證從供應(yīng)商那里獲得的熱模型或者在供應(yīng)商沒有提供模型的情況下自己創(chuàng)建模型。電子設(shè)備的可靠性設(shè)計余量很小，設(shè)計責(zé)任通常落在OEM廠商身上，質(zhì)保和回收問題會直接影響他們的盈虧。他們需要百分百確認他們的產(chǎn)品設(shè)計沒有問題。

熱測量的附加效益

LED供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商目前在很多領(lǐng)域都會使用這一硬件技術(shù)。LED供應(yīng)商將在最常見的兩個方面用到它。

第一個是無損故障診斷。在這種情況下，供應(yīng)商可以利用熱測量技術(shù)對故障部分的“內(nèi)部”進行檢查，而無需將這部分分開。圖3便給出了相應(yīng)的例子。用過幾小時后功能便下降的 LED就會這樣被找出來。在熱阻-熱容圖表中，藍色線條表示剛生產(chǎn)出來的LED，其它線條分別表示用過500小時、2000小時和3000小時的LED。通過水平方向可見，代表用過的LED的線條上有一個高熱阻層。這說明該位置出現(xiàn)材料分離的情況?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)比原有材料要小很多。這一類型的故障診斷測試能用于LED和IC封裝。

圖3 –熱阻-熱容曲線圖中水平方向上的紅線、綠線和黑線代表高熱阻層和可能的分離

第二種應(yīng)用是在生產(chǎn)過程中。在生產(chǎn)LED時，膠水厚度等參數(shù)并不是固定不變的，因此這臺測試儀器可以作為生產(chǎn)線上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速進行測試并與標準器件作對比，很快便能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的偏差，進而給予糾正。該測試設(shè)備的投資回報率非?？捎^。因此，如今負責(zé)子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)的LED供應(yīng)商與原始設(shè)備制造商可以使用一個精確的元件來完成產(chǎn)品的設(shè)計、應(yīng)用和故障分析（圖4）。

圖4 – 完整的熱測量與光學(xué)測量/標定如今已被實際應(yīng)用于 LED 產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)質(zhì)量以及無損故障分析

為汽車供應(yīng)鏈提供支持

請上傳jpg或者gif圖片請上傳jpg或者gif圖片請上傳jpg或者gif圖片如圖5所示為汽車產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈，我們看到供應(yīng)鏈上除了有汽車原始設(shè)備制造商，還有二級和一級供應(yīng)商。好的熱設(shè)計要有熱分析，一級和二級供應(yīng)商的設(shè)計者們都需要具有該能力。這種熱分析通過精準及時的物理測試對元件、子系統(tǒng)以及系統(tǒng)的熱測量進行支持和驗證。汽車原始設(shè)備制造商將能證明的是他們所購買的產(chǎn)品具備高度的可靠性和低能耗性能。

圖5 – 汽車供應(yīng)鏈各個層級都需要熱分析和物理測試/標定

因此，雖然設(shè)計時廣泛使用快速的“虛擬樣品”，從而讓產(chǎn)品達到更快上市、更有競爭力的目的，但使用快速精確的測試和測量工具對供應(yīng)鏈的作用仍不容小覷。不然，在開發(fā)可靠性余量很小的產(chǎn)品時，我們將會付出高昂的代價。